автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Разработка и реализация повышенных требований к фрикционным соединениям и прокату для уникальных строительных конструкций

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ КОМПЛЕКСНЫХ ПРОБЛЕМ СТРОИТЕЛЬНЫХ Р [■ §К01ЩРУКЦИЙ И СООРУЖЕНИЙ ИМЕНИ В.А. КУЧЕРЕНКО

(ЦНИИСК им. Кучеренко)

На правах рукописи

КУЛИК Дмитрий Владимирович

РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ПОВЫШЕННЫХ ТРЕБОВАНИЙ К ФРИКЦИОННЫМ СОЕДИНЕНИЯМ И ПРОКАТУ ДЛЯ УНИКАЛЬНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.23.01 -Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1998

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Государственном научно-исследовательском и проектно-экспериментальном институте комплексных проблем строительных конструкций и сооружений им В А. Кучеренко (ДНИИСК им. Кучеренко).

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - доктор технических наук, профессор

Горпинченко В.М. НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ - доктор технических наук, профессор

Одесский П.Д.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: - доктор технических наук, с.н.с.

Каленов В.В. - кандидат технических наук, с.н.с. Гукова М.И.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - ЦНИИПроекгстальконструкций

им Н.П. Мельникова

Защита состоится "_"_1998 года в_часов на заседании диссертационного совета Д.033.04.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук при ордена Трудового Красного Знамени Государственном научно-исследовательском и проектно-экспериментальном институте комплексных проблем строительных конструкций и сооружений им В.А. Кучеренко по адресу: Москва, 109389,2-я Институтская ул., д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "_"_ 1998 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук: С.А. ВОРОБЬЕВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

-.Актуальность темы. В проблеме повышение технико-экономической эффективности стальных строительных конструкций важное место отводится разработке и внедрению прогрессив-' ных конструктивных решений, новых технологий монтажа и новых материалов. В связи с этим на современном этапе развития строительных металлических конструкций возросла тенденция к применению принципиально новых форм сооружений, конструктивных решений узлов и соединений, а также эффективных видов проката.

Все вышеуказанное справедливо при возведении стальных каркасов крупных уникальных инженерных сооружений, эксплуатация которых происходит при больших скоплениях людей в течение продолжительного периода времени - пятидесяти лет и более.

Наиболее ярким примером подобных сооружений является покрытие Большой спортивной арены (БСА) стадиона в "Лужниках" г. Москвы.

Стальные конструкции стационарной части покрытия состоят из внешнего и внутреннего контуров, соединенных радиальными балками массой около 14 тыс. тонн. Конструкция, эксплуатирующаяся на открытом воздухе, изготовлена из толстолистовой атмосферостойкой стали 10ХСНД в толщинах до 40 мм включительно и смонтирована на монтажных фрикционных болтовых соединениях с массовым применением впервые в практике строительства крупных высокопрочных болтов диаметром М27.

Собственно актуальность работы связана с необходимостью применения при создании уникальных стальных конструкции проката и метизов больших толщин и высокой прочности, а также фрикционных соединений в металлических конструкциях с использованием упомянутых материалов. При этом условия эксплуатации уникальных конструкций (длительный период на открытом воздухе при скоплениях большого количества людей) и размеры сооружений приводят к необходимости разработки новых требований к этим материалам и соединениям для обеспечения эксплуатационной надежности конструкции и возведения сооружения в кратчайшие сроки. Необходимо было создать фактически новое поколение высокопрочного проката, метизов и сое-

динений из них для использования в практике строительства уникальных объектов.

Целью диссертационной работы является разработка требований к прокату, метизам и болтовым фрикционным соединениям, обеспечивающих эксплуатационную надежность уникальных стальных конструкций, а также оценка прочности металла и соединений, отвечающих новым требованиям.

Научную новизну работы составят следующие результаты, которые будут вынесены на защиту:

- разработка новых требований к прокату высокой прочности для уникальных стальных конструкций, которые должны обеспечить создание соответствующих материалов нового поколения, отличающихся высоким сопротивлением хрупким разрушениям и хорошей свариваемостью;

- разработка новых требований к высокопрочным болтам М27 с целью обеспечения надежной работы фрикционных соединений уникальных сооружений;

- разработка новых принципов обработки соприкасающихся поверхностей во фрикционном соединении, обеспечивающих коэффициент трения 0,5;

- результаты исследований прочности и свариваемости проката с ст> 400 Н/мм2 нового поколения;

- результаты исследований свойств высокопрочных метизов М27 для уникальных строительных конструкций;

- результаты исследований прочности фрикционных и фрик-ционно-срезных болтовых соединений с различной обработкой соприкасающихся поверхностей, предназначенных для уникальных стальных конструкций.

Практическое значение работы состоит в обосновании применения сталей высокой прочности нового поколения в уникальных стальных конструкциях, а также применения новых высокопрочных метизов М27 и нового вида обработки соприкасающихся поверхностей при создании фрикционных соединений в уникальных инженерных сооружениях, что обеспечивает эксплуатационную надежность последних и позволит провести монтаж конструкций в сжатые сроки.

Внедрение результатов. Материалы исследования использованы при возведении покрытия Большой спортивной арены в "Лужниках".

Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на научно-технических конференциях (г. Санкт-Петербург, 1997; г. Ижевск, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 научных статей.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений, изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка и 34 таблицы. Список литературы включает 110 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель и результаты, выносимые на защиту, дана краткая характеристика выполненной работы.

Первая глава посвящена анализу состояния вопросов эффективности применения фрикционных соединений при монтаже уникальных стальных конструкций, также рассматриваются свойства сталей высокой прочности для строительных металлоконструкций.

На современном этапе развития строительной индустрии характерно все возрастающее использование металлоконструкций с болтовыми монтажными соединениями. Это позволяет в значительной степени сократить сроки строительства при высокой заводской готовности металлоконструкций за счет облегчения оформления узлов на монтаже (в сравнении со сварными).

Разработке соединений на высокопрочных болтах для строительства и мостостроительных конструкций посвящен ряд работ известных отечественных ученых: К.П. Большакова, Б.М. Вейнблата, И И. Вешневского, Л.И. Гладштейна, В.М. Горпинченко, В.В. Каленова, В.В, Ларионова, H.H. Стрелецкого, A.C. Чеснокова, Л.В. Цальмана и др.

Проведенный обзор показал, что для обеспечения требуемого значения коэффициента трения f = 0,5 при постановке фрик-

ционных соединений в уникальной конструкции обработка в дро-беметных камерах ЗМК с последующей вторичной обработкой, например, щетками, на стройке может оказаться недостаточной. Тем более, учитывая длительный срок эксплуатации возводимого сооружения, необходимо было решить вопрос повышения коррозийной стойкости сопрягаемых поверхностей. Поэтому в диссертации рассматривается создание во фрикционных соединениях надежного и однородного коэффициента трения £2:0,5, при этом с условием применения антикоррозийной защиты сопрягаемых контактных поверхностей.

Основными элементами фрикционных соединений металлоконструкции являются высокопрочные болты, гайки и шайбы, от прочности и качества которых зависит надежная работа соединения.

В практике отечественного строительства нашли применение болты с ста > 110 кгс/мм2 с резьбой М16 ... М24, как правило, из стали 40Х "селект". Однако такие болты более крупного диаметра с резьбой М27 в строительстве практически не применялись. При изготовлении уникальных сооружений в г. Москве возникла потребность в подобных метизах.

В связи с этим возникла задача уточнения технических требований к этим новым для строительства видам метизов. С целью обеспечения оформления фрикционных соединений и их эксплуатационной надежности необходимо было также провести исследования свойств новых видов метизов М27, в том числе с использованием методов механики разрушения.

Изготовление крупных конструкций из проката высокой прочности со,> 390 Н/мм2 в настоящее время является достаточно сложной технической задачей.

При строительстве уникальных объектов г. Москвы к изготовителям конструкций предъявляются сложные и противоречивые требования: необходимо обеспечить высокое качество изготовления конструкций, высокую эксплуатационную надежность сооружения в течение длительного времени. При этом возведение конструкций осуществляется в сжатые сроки.

Такие требования" к изготовителям влекут за собой необычно высокие и в принципе новые требования, которые следует предъявлять строителям к прокату для металлических конструк-

ций. В целом, прокат для уникальных конструкций должен сочетать требуемую высокую прочность (от > 390 Н/мм2) с хорошей свариваемостью, коррозийной стойкостью, высоким сопротивлением хрупким разрушениям и трещиностойкостью. Эти требования разрабатываются при выполнении настоящей диссертационной работы.

Кроме того, следовало изучить эксплуатационные свойства на промышленных партиях стали, выпущенной с новыми требованиями, и, следовательно, было необходимо разработать эффективные методы контроля проката, что также вошло в задачи настоящей диссертации.

Во второй главе описаны методики исследования и использованные материалы.

Прочность фрикционных соединений исследовалась экспериментально на натурных образцах (рис. 1) с целью выяснения возможности обеспечения коэффициента трения между соединяемыми поверхностями не менее f = 0,5. Поэтому варьировался способ обработки поверхностей с учетом возможностей ЗМК и монтажных организаций.

Применялись следующее варианты обработки:

1) дробеметная обработка, осуществляемая в условиях ЗМК с последующей очисткой металлическими щетками непосредственно перед сборкой образцов (Н3);

2) термоабразивная дробеструйная обработка, осуществлялась непосредственно перед сборкой образцов (TAC);

3) термоабразивная дробеструйная обработка с последующей металлизацией алюминием (ТАСМ).

Последние два варианта новы и не имели применения. Металлизация алюминия выполнялась по нашему предложению с целью обеспечения коррозийной стойкости соединения.

Обработка поверхности TAC и ТАСМ осуществлялась с помощью генератора высокоскоростного потока (ГВП). Была разработана технологическая инструкция по подготовке фрикционных поверхностей высокопрочных болтовых соединений.

В связи с высокими требованиями к надежности уникальных сооружений, возводимых в сжатые сроки, возникает объективная необходимость в более жесткой, чем обычно, схеме контроля металла, поступающего на стройку. Это касается как прока-

та, так и высокопрочных метизов. Поэтому была предложена многоступенчатая (трехуровневая) схема контроля. В случае проката контроль осуществлялся на металлургических комбинатах, ЗМК. Контрольные испытания проводились в аккредитованных лабораториях ЦНИИСК. В случае метизов приемо-сдаточные испытания проводились на заводах-изготовителях метизов, осуществлялся постоянный входной контроль непосредственно на монтаже (инструментальный и визуальный) физико-механических свойств и геометрии высокопрочных метизов, контрольные испытания также проводились в ЦНИИСК. Подобный контроль при возведении БСА в Лужниках был применен впервые в практике отечественного строительства.

Экспериментальная часть настоящей диссертации базируется на анализе свойств металла, примененного при строительстве БСА. Материалом исследования явилась вся совокупность металла, примененного при изготовлении рассматриваемого сооружения.

Прокат представлял собой термически улучшенную толстолистовую сталь с Стт ^ 390 Н/м2 в толщинах 16, 20, 25, 30 и 40 мм. Металл изготавливался в электропечах комбинатов АО "Северсталь" (г. Череповец) в толщинах 16 и 20 мм - всего 120 плавок - и АО "Носта" (бывший ОХМК - г. Новотроицк) в толщинах 20, 25, 30 и 40 мм - всего 200 плавок.

Для испытаний проката в ЦНИИСК было выбрано 165 плавок, практически каждая вторая. В этой представительной выборке каждая толщина была представлена не менее чем тридцатью вариантами химического состава.

Примененные при строительстве покрытия в Лужниках и использованные в настоящем исследовании высокопрочные метизы М27 при прочности болтов ст > 110 кгс/мм2 поставлялись в соответствии с требованиями стандартов ГОСТ 22353 .,. ГОСТ 22356-27*, фактически в исполнении "ХЛ" (хладостойкие).

Метизы на стройку поставлялись двумя заводами. АОЗСТ "Воронежстальмост" изготовлял болты по ГОСТ 22356-77*. Соглас но этому стандарту термически упрочненные болты М27 изготовлялись из стали 40Х "селект" по ГОСТ 4543-81.

С аналогичными требованиями болты поставлялись фирмой Германии "Август Фридберг". Здесь для высокопрочных болтов была применена сталь марки 32СгВ4. Фактически, эта сталь отстали

40Х "селект" отличается микродобавками бора, улучшающего равномерность свойств по сечению болта.

-На обоих заводах болты изготавливались из сталей высокого качества. Нами было установлено, что в стали 40Х "селект" содержание вредных примесей находится на низком уровне: Б и Р < 0,015 %. Сталь производства "Август Фридберг" еще чище: В и Р < 0,010 %.

Оценка свойств проката и метизов велась по результатам испытаний на растяжение, твердость, ударную вязкость, в том числе на образцах с острым надрезом, исследовался химический состав, микроструктура, свойства прочности по толщине и его свариваемость. При оценке трещиностойкости высокопрочных болтов за основу принималась величина вязкости разрушения (критического коэффициента интенсивности напряжений) Кк?. Оценка склонности болтов к задержанному хрупкому разрушению (ЗХР) также велась методами механики разрушения как на коррозийное растрескивание согласно ГОСТ 9.903-81.

При анализе большого массива результатов испытаний механических свойств прежде всего пользовались величинами среднего х, стандарта а и коэффициента вариации у = ст/ х, % распределений, чтобы полученные величины можно было сравнить с данными аналогичных исследований, опубликованных в технической литературе.

В третьей главе описаны разработанные нами требования к прокату для уникальных сооружений, а также свойства промышленных партий толстых листов из стали 10ХСНД, поставленных в соответствии с этими требованиями.

Разработанные нами ужесточенные требования к металлу направлены, в первую очередь, на недопущение разрушений проката, соединений из него и конструкции в целом при изготовлении и монтаже сооружения в сжатые сроки, а также при последующей эксплуатации.

Прежде всего о требованиях к основным механическим свойствам стали, определяемым при испытаниях на растяжение и ударный изгиб.

При испытаниях на растяжение обсуждаемого проката должно быть стт > 390 Н/мм2 (30 кгс/мм"), ав < 670 Н/мм2 (68 кгс/мм2),

б5 > 19 %, \|/ > 50 %; на диаграмме о-е должна быть площадка текучести.

Здесь верхний уровень ав ограничен гораздо сильнее, чем в основных стандартах: в последних а„ < 720 Н/мм2. Продолжение снижения верхнего уровня а„ способствует формированию в прокате оптимальных микроструктур, что обеспечивает высокую работоспособность металла; кроме того, повышается однородность проката, что ведет к улучшению обеспеченности нормативных сопротивлений, наконец, улучшается свариваемость и обрабатываемость проката при холодной деформации.

Для предотвращения неэнергоемких разрушений к прокату стали 10ХСНД для уникальных сооружений предложили предъявлять следующие требования: КШ> 80 ... 100 Дж/см2, КС1Г70 > 29Дж/см2, КСУ40 > 29 Дж/см2 после деформационного старения.

Основой предложений является жесткое требование по результатам испытаний образцов с острым У-образным надрезом. Такие образцы наилучшим образом описывают процессы разрушения материалов с дисперсной структурой, а также хорошо отражают условие перехода в хрупкое состояние сварных конструкций. Выдвинутое требование КСУ40 > 29 Дж/см2 соответствует требованиям современных зарубежных стандартов к хладостойким сталям обсуждаемой прочности.

Проблема сварки сталей высокой прочности сводится, прежде всего, к обеспечению высокого сопротивления соединения хрупким разрушениям, к недопущению холодных и слоистых трещин в зоне термического влияния сварки (ЗТВ). О склонности сталей к образованию хрупких структур прежде всего судят по суммарному содержанию легирующих элементов, которое обычно характеризуется показателем углеродного эквивалента.

В стандарты ГОСТ 27772 и ГОСТ 19281 введена так называемая формула '\У.Е.5.135. Углеродный эквивалент (Сэ), %, согласно этой формуле;

_ ^ Мп Сг № Си V Р Мо /1Ч

с = с +-+ — + — + — + — + — + - +- (1)

6 24 5 40 13 14 2 4

Здесь имеется в виду массовая доля элементов, %.

Указанные стандарты допускают поставку по требованию потребителя для сталей с Сэ < 0,49 % для проката с ат> 390 Н/мм2. В случае поставок стали 10ХСНД для уникальных сооружений нами выдвигается высокое, но реальное требование Сэ 2 0,46 %; такой металл потенциально не склонен к холодным трещинам при сварке.

Далее, для предотвращения холодных трещин назначаются ограничения на твердость металла в ЗТВ. Согласно стандартам сварщиков, например, \У.Е.5.135, для стали с ат > 390 Н/мм2 НУтах ^ 390 НУ. Позднее предоставление об этой величине ужесточилось: НУт1Х < 360 ... 370 НУ, Мы считаем, что в случае уникальных сооружений твердость по Виккерсу в ЗТВ для сталей с ат > 390 Н/мм2 не должна превышать НУтах < 320 НУ. Считается, что в данном случае холодные трещины не возникают.

Опасным дефектом сварных соединений из стали повышенной и особенно высокой прочности являются расположенные параллельно плоскости проката ламеллярные или слоистые трещины, чаще всего возникающие в тавровых соединениях под подошвой сварного шва.

Эти дефекты возникают обычно при изготовлении, редко при эксплуатации конструкций, под воздействием растягивающих напряжений, ориентированных по толщине листов (в 2-направлении).

Для обеспечения высоких свойств по толщине проката и недопущения слоистых разрушений нами прежде всего выдвинуто требование поставки листов с ультразвуковым контролем сплошности. Сталь следует поставлять по первому классу несплошности по ГОСТ 227727. То есть, здесь несплошности с площадью от 20 до 50 см2 могут занимать не более 0,5 % площади листа, при этом предусмотрен полистный контроль.

Далее предусматривались поставки проката с 2-свойствами. Сталь может быть поставлена в классе Ъ 15, т.е. средняя величина относительного сужения, определенная при испытаниях на растяжение трех гладких образцов, вырезанных по толщине проката, > 15 %. Для обеспечения хороших условий сварки рекомендовали применение для изготовления конструкций листов особо с высокой плоскостностью, с пониженной серповид-ностью. Повышению производительности работ также способст-

вует использование листов с высокой точностью изготовления по ширине и толщине.

Для достижения высокой пластичности стали в условиях сложнонапряженного состояния, а также для обеспечения высоких Z-свойств и предотвращения слоистых, трещин в сталях высокой прочности с дисперсной структурой прежде всего идут по пути снижения содержания вредных примесей и глобулирования пленочных и веретенообразных неметаллических включений. Выдвинутые нами требования по KCU > 80 ... 100 Дж/см2 и > 15% могут быть выполнены только при обеспечении достаточно высокой чистоты металла. Если по ГОСТ 27772 и ГОСТ 19281 по требованию потребителей можно получить S £ 0,035 %; Р < 0,030 %, то в случае стали для уникальных сооружений нами было выдвинуто более радикальное требование: S S 0,015 %; Р S 0,020 %. При этом на металлургических комбинатах предусматривается рафинирование металла и облагораживание фазы неметаллических включений с применением различных методов десульфурации, глобулирования сульфидов, вакуумирования, перемешивания жидкого металла и т.п.

Известно вредное влияние на разрушение высокопрочного проката газов, содержащихся в металле, Поэтому мы предложили, чтобы содержание азота (N2) в металле было N2 £ 0,008 % (при норме N < 0,012 %). Содержание водорода также было существенно ограничено: Нг £ 3 см2 на 100 г, что направлено на недопущение холодных трещин в сварных соединениях.

Провели статистический анализ данных приемо-сдаточных испытаний с целью оценки фактической величины коэффициента безопасности по материалу уш в прокате, примененном при изготовлении конструкций в БСА.

Общее число проанализированных значений предела текучести приведено в таблице 1.

Таблица 1.

Поставщик Толщина, мм Общее число

16 20 25 30 40

АО "Носта" - 272 230 234 379 1 115

АО "Северсталь" 210 44 - - - 254

ИТОГО 210 316 230 234 379 1 369

Для оценки величины пределов текучести малой повторяемости анализировали их накопленные частоты.

В соответствии с требованиями ГОСТ 27751-88 "Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету", обеспеченность нормативных сопротивлений должна быть не менее 0,95 (п. 2.1 ГОСТа). В ГОСТ 22772-88 подчеркивается, что вероятность выполнения норм стандарта по пределу текучести в каждой партии проката должна быть не ниже 0,95.

В результате проведенных расчетов установлены значения пределов текучести, соответствующие обеспеченности 0,95, и эти значения составили для разных толщин величины, приведенные в таблице 2.

Таблица 2.

Поставщик Значения 11о,9з, Н/мм2 для толщин

Толщина, мм

16 20 25 30 40

АО "Ностра" - 440 433 450 430

АО "Северсталь" 413 420 - - -

Ут 1,09 1,13 1,14 1,18 1,13

Учитывая, что надежность конструкции может определяться прочностью любого элемента с минимальным значением предела текучести, целесообразно, сообразуясь с данными вышеуказанной таблицы, принять в качестве нормативного сопротивления Я0.95 значение К.у„= 413 Н/мм2. СНиП 11-23-81* регламентирует расчетное сопротивление по пределу текучести для сталей с стт ;> 390 Н/мм2, равное = 380 Н/мм2. При этом, согласно данных норм ут = Луп/Лу = 1,025. В нашем случае фактическая величина ут существенно выше (таблица 2), что обеспечивает дополнительный запас прочности по материалу в уникальных конструкциях.

Результаты статистической обработки контрольных испытаний (165 образцов на точку) механических свойств (от, о„, 55, уу, КС1Г70, КСУ40), а также химического состава представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Статистическая оценка основных свойств проката из стали 10ХСНД

Показатель свойств Среднее, X Стандарт, ст Коэффициент | вариации, V, % он и £ в. Р

ах, Н/мм2 390 585 467,04 34,46 7,39 420

ств, Н/мм2 529 688 596,03 32,78 5,52 540

63,% 16,5 34,5 25,03 3,445 13,82 19,0

у, % 41,6 73,0 60,55 6,445 10,70 51,0

КС1Г0, Дж/см2 56,0 322,0 154,6 57,49 37,305 80,0

КСУ40, ДЖ/см2 34,0 324,0 121,1 66,15 54,8 64,1

Сэ,% 0,380 0,453 0,452 0,018 ' 4,32 0,42

Приведенные результаты свидетельствуют о том, что поставленный для изготовления покрытия БСА прокат полностью соответствует предъявляемым к нему требованиям как со стороны основных стандартов, так и повышенным требованиям, разработанным нами и удовлетворяющим изготовителей конструкций.

Установлено, что в рассматриваемом прокате необычно высока ударная вязкость: испытания показали, что даже наблюдаемые минимальные значения КС1Г70 и КСУ40, не говоря уже о нормативных величинах, находятся на уровне специальных хладостойких сталей со свойствами С390, выпускаемых за рубежом. Конструкции из проката с подобной ударной вязкостью должны обладать высоким сопротивлением хрупкому разрушению, Специально проводились исследования свариваемости проката максимальной толщины 40 мм. Максимальная твердость в ЗТВ не превышала 250 НУ. Испытания на ударную вязкость показали, что на границе сплавления эти характеристики не ниже чем в основном металле: КСУ40 > 29 Дж/см2. Оценивались свойства по толщине проката (г-свойства). ^ 15 %, что является достаточно высоким значением. Подтвердилось, что обсуждаемый прокат обладает хорошей свариваемостью даже в толщинах 40 мм.

В четвертой главе рассмотрены требования к высокопрочным метизам М27 и свойства промышленных партий этих изделий.

Поломки болтов (реже гаек) происходят по двум основным причинам: 1) недостаточная прочность болта при вязком характере разрушения; 2) низкое сопротивление хрупким разрушениям из-за неспособности высокопрочной стали затуплять вершину возникшей трещины и тем самым останавливать последнюю.

Вязкие разрушения болтов или срез резьбы обычно происходят в процессе установки болтов в соединении. Вязкие разрушения могут происходить или из-за недостаточной прочности болтов в сравнении с имеющимися нормами (обычный брак) или из-за неотработанности технологии закручивания (превышение усилий закручивания).

Нам представляется, что более опасным видом разрушения высокопрочных болтов при эксплуатации является задержанное хрупкое разрушение (ЗХР). Оно развивается при номинальных напряжениях, меньших чем предел текучести и даже расчетное сопротивление болтов.

Физическая суть ЗХР заключается в том, что поверхностный трещинообразный дефект под действием напряжений может латентно развиваться и расти во времени, при этом высокопрочное состояние болта не способно тормозить трещину. Через некоторое время (до 5 лет с момента закручивания, хотя чаще всего до месяца) по достижении критического размера трещины может произойти хрупкое разрушение болта с существенным высвобождением упругой энергии, тем более в случае крупного болта. Технологические требования к высокопрочным болтам и методы контроля последних направлены, прежде всего, на исключение возможности ЗХР.

Согласно этим требованиям, для болтов временное сопротивление ав= 110... 135 кгс/мм2 (здесь имеется существенное ограничение по верхнему уровню ств), твердость по Бринеллю на поверхности болтов 269 ... 363 НВ, относительное сужение при испытании образцов 1|/ > 40 %, относительное удлинение б5 > 8 %, ударная вязкость КСи > 4,5 кгсм/см2 (или разрушение при испытаниях на ударный изгиб образцов с острым У-образным надрезом КУ > 32 Дж).

Практически, эти требования отражают максимально возможные ограничения по временному сопротивлению и твердости, а также максимально возможные гарантии по пластичности и ударной вязкости, которые гарантируются ГОСТ 22356-77* (так называемое климатическое исполнение "ХЛ"). Полагали, что болты высокой прочности М27 с такими свойствами, т.е. с наилучшим возможным комплексом механических свойств, будут в наименьшей степени склонны к ЗХР.

Проводился статистический анализ результатов испытаний представительной выборки высокопрочных болтов М27 х 130 на растяжение при нормальной температуре (таблица 4).

Таблица 4.

Прочность высокопрочных болтов

№ Марка Испытательная Объем Ов S 7 Ro,95

п/п стали лаборатория выборки, шт. кгс/мм2 % кгс/мм

1 40Х "селект" ЦНИИСК 105 117,0 3,54 3,01 110

2 40Х "селект" АО "Воронеж-стальмост" 470 121 5,5 4,54 112

3 32 СгВ4 ЦНИИСК 100 120 2,35 2,0 116

Видно, что во всех случаях получения фактически нормативные значения выше или равны стандартным Ro,95 ^ Rtmn. При испытании болтов производства АО "Воронежстальмость" (сталь 40Х "селект") диаграмма деформирования при растяжении не имеет площадки текучести, в целом, она имеет параболическую форму с заметным отклонением от закона Гука (линейности) при

На диаграмме работы болта (из стали 32 СгВ4) предел текучести легко определить как начало резкого "перелома" при переходе линейной части диаграммы к параболической, нелинейной. При этом предел текучести во всех случаях ат > 0,9 а„, т.е. испытанные болты можно классифицировать как 11,9 по международной классификации (EN20898-1), в то время как болты из стали 40Х "селект", скорее, к классу 11.8.

Кроме того, болты из стали 32 СгВ4 более пластичны: минимальные значения относительного сужения при разрушении целых болтов-из стали 40Х "селект" \yniin = 8 %, из стали 32 СгВ4 - 15 %.

По твердости на поверхности исследуемые болты соответствовали оговоренному выше требованию. Проводилось исследование изменения твердости по сечению стержней. В случае стали 40Х "селект" твердость по Бринеллю в поверхностных зонах 330-340 НВ, в сердцевине (в осевой зоне диаметром 10 мм) 280-310 НВ, т.е. имела место неравномерность твердости по сечению. В центре болта твердость была ниже из-за неполной прокаливаемости стали 40Х в рассматриваемом большом сечении. В случае стали 32 СгВ4 установлена высокая равномерность свойств по сечению (347 ... 351 НВ) и, следовательно, полная в данном случае прокаливаемость болтов из хромистой стали, микролегированной бором,

Этот факт влияет на результаты при испытании целых болтов: в сталях с полной прокаливаемостью и равномерностью твердости по сечению стоУст» - 0,9. У болтов из стали 40Х "селект" о0,г/ав = 0,8. Пластичность, например, относительное сужение у болтов из стали 32 СгВ4 также выше. Равномерность свойств по сечению влияет и на другие свойства болтов. Пластичность материала болтов, оценивавшаяся на стандартных образцах, также выше у сталей с полной прокаливаемостью: при контрольных испытаниях в случае стали 40Х "селект" S5 = 8,5 ... 9,5 %; цг = 49,5 ... 51 %, у стали 32 СгВ4 53 = 16,2 ... 18,8 %, \|/= 61,5 ... 63,9 %. В последнем случае микроструктура в осевой зоне более благоприятна, а также сталь несколько чище по вредным примесям.

Требование по ударной вязкости к материалу болтов выдвигалось как одно из условий, выполнение которых свидетельствует о малой вероятности появления ЗХР. Разумеется, болты высокой прочности должны обладать высокой ударной вязкостью еще и потому, что они могут воспринимать динамические усилия при закручивании.

При проводимых нами испытаниях на ударный изгиб образцы отбирались как из осевой зоны болтов, так и со смещением к поверхности болта. Оказалось, что если даже болты в осевой части имеют высокую ударную вязкость: KCU >5,0 кгсм/см2, что соответ-

ствует требованиям к исполнению ХЛ, то в то же время ударная вязкость ближе к поверхности болта (где и зарождаются трещины, а также замедленное хрупкое разрушение) может быть гораздо ниже: кси <3,0 кгсм/см2.

Данные исследования показали, что ударная вязкость материала болта, определенная в осевой его части, при неравномерности свойств по сечению, как это имеет место в стали 40Х "селект", не может являться показателем, связанным со склонностью болта к замедленному хрупкому разрушению. У болтов из стали 32 СгВ4 из-за более благоприятной равномерной по сечению структуры ударная вязкость гораздо выше: КС11 = 130 Дж/см2, КСУ = 120 Дж/см2; КСУ"40 = 40 Дж/см2; КСУ65 = 29 Дж/см2.

С точки зрения сопротивления ЗХР большое значение имеют свойства поверхностных слоев болтов. Прежде всего это твердость поверхности болтов, наилучшим образом коррелирующая с замедленным хрупким разрушением.

При оформлении фрикционных соединений на монтаже БСА имели место случаи, когда спустя 3-10 дней после установки метизов выявлялись трещины и даже разрушения гаек, гораздо реже болтов из стали 40Х, На основании приведенных исследований мы пришли к выводу, что основной причиной наблюдаемого появления трещин в гайках, а также замедленного (через 3-10 дней после установки) разрушения метизов являются дефекты поступающих от металлургов заготовок типа закатов и продольных трещин, основным путем распространения которых служат границы металлической матрицы и строечных сульфидов, вытянутых вдоль прокатки.

При изготовлении гаек из таких заготовок (сверление, термическое упрочнение) происходит зарождение, а в некоторых случаях и распространение трещин слоистого типа. При этом действие дефектов заготовки как бы наследуется и усугубляется в процессе изготовления метизов на заводе.

Поэтому к основным требованиям, направленным на исключение ЗХР высокопрочных метизов, следует отнести недопущение в конструкции болтов и гаек с поверхностными трещиноподобными дефектами.

Поэтому при оценках ЗХР высокопрочных болтов удобно опираться на характеристики трещиностойкости, прежде всего на

величину критического коэффициента интенсивности напряжений, называемого еще вязкостью разрушения и обозначаемого Кь Эта величина учитывает влияние на разрушения в единой форме прочности и геометрии трещины в исследуемой детали и в этом смысле выгодно отличается от такой величины, как ударная вязкость.

Пользуясь экспериментальными методами механики разрушения можно прямо оценить возможность перехода в хрупкое разрушение обсуждаемых высокопрочных болтов М27 при наличии в них трещин.

Результаты оценки Кк при статическом характере плавно возрастающей разрушающей нагрузки представлены в таблице 5.

Таблица 5.

Вязкость разрушений высокопрочных болтов М27

Вязкость разрушения, К^, в единицах Марка стали болта

40Х "селект" 32 СгВ4

кгс/мм2 Мпа-м1'2 344 ±52 103 ± 17 434 ± 18 131 ±6

Хорошо видно, что вязкость разрушения К10 у болтов с равномерной твердостью сечения существенно выше, чем у болтов из стали 40Х "селект" примерно на 30 %. По нашему мнению, это произошло, в первую очередь, из-за большей чистоты по вредным примесям (сера, фосфор) и равномерности свойств по сечению болтов из стали 32 СгВ4. В целом, приведенные исследования показали, что эти болты обладают большим сопротивлением хрупким разрушениям и трещиностойкостью при достаточно быстро приложенных нагрузках.

Однако известно, что при увеличении времени воздействия нагрузки, особенно при одновременном коррозионном воздействии, величина Кю может снижаться. Поскольку рассматриваемые в настоящей работе фрикционные соединения рассчитаны на длительную эксплуатацию, нас прежде всего интересует трещиностойкость болтов при длительном воздействии. Именно эта характеристика будет являться важнейшим эксплуатационным свойством высокопрочных болтов.

Оценка трещиностойкости при длительных испытаниях Кзхр проводилась при ступенчатом нагружении при нормальной температуре при периодическом смачивании поверхностной трещины дистиллированной водой, что соответствовало условиям переменного заполнения вершины трещины капиллярной влагой и осадками в атмосферных условиях, которые стимулируют ЗХР. Схема нагружения представлена на рис. 2.

Принятая нами продолжительность выдержек на каждой из ступеней нагружения (не менее 30 минут) соответствовала максимальной продолжительности инкубационного периода для коррозионного растрескивания высокопрочных стальных изделий с трещинами. На начальных этапах нагружения до номинальных напряжений ств > 100 кгс/мм2 трещина на образце подрастала стабильно. При измерениях электросопротивления при переменном токе, а также методом акустической эмиссии установлено, что стабильный рост трещины затухал через 15-20 минут после приложения нагрузок. Таким образом, была зафиксирована максимальная при подобных испытаниях нагрузка (номинальное напряжение), при которой наблюдалось хрупкое разрушение (он = 140 кгс/мм2). После этого нагрузка снижалась на 10 %, а образец выдерживался 110 суток при смачивании надреза дистиллированной водой (рис. 2). Если образец при такой выдержке не разрушался, данная величина вязкости разрушения оценивалась как Ki3xp. У образцов из обеих сталей Кьхр были примерно равными: в случае стали 40Х "селект" Кь.Чр = 310 кгс/мм3'2, в случае болтов из стали 32 СгВ4 К^р = 305 кгс/мм3'2 (в обоих случаях точность величины ± 40 кгс/мм3'2).

При полученных экспериментальных данных рассматриваемые болты сс,< 140 кгс/мм2 при расчетных напряжениях и даже напряжениях, примерно равных пределу текучести, не должны быть склонны к ЗХР, что, в общем, подтверждают известные литературные данные.

По-видимому, не существует опасности ЗХР рассматриваемых болтов, поскольку вплоть до напряжения 100 кгс/мм2 наблюдался только стабильный рост трещины, который, как отмечалось выше, затухал через 15-25 минут после приложения нагрузки, т.е. хрупкого разрушения при испытаниях не возникало. Несмотря на то, что болты из стали 32 СгВ4 обладают большим сопротивлением хрупким разрушениям, чем болты из стали 40Х "селект", под действием влаги и постоянно действующих статиче-

ских нагрузок склонность к замедленному разрушению у обоих типов болтов примерно одинакова. Очевидно, склонность к ЗХР определяется собственно высокопрочным состоянием материала болтов, наиболее полно контролируемым в данном случае уровнем временного сопротивления: ов < 135 кгс/мм2.

В целом, наши исследования показали, что все рассматриваемые болты, не имеющие дополнительных трещиноподобных повреждений, могут использоваться в уникальных конструкциях в соответствии с нормами СНиП.

В пятой главе представлены результаты исследования несущей способности болтовых монтажных соединений, а также оценка величины коэффициента трения £ соприкасающихся поверхностей при различной обработке последних.

Впервые намеченные к применению в строительстве фрикционные монтажные соединения на высокопрочных болтах М27 потребовали от нас проведения натурных испытаний образцов (рис. 1), основной целью которых явилось установление технологии обработки соприкасающихся поверхностей, обеспечивающей получение высокого коэффициента трения £ > 0,5, а также обработки, обеспечивающей коррозионную стойкорть соединения при длительной эксплуатации конструкции.

Обобщенные результаты испытаний трех- и девятиболтовых соединений представлены в табл. 6, в которой указаны способы обработки поверхности (обозначения даны - в главе 2), диаметры отверстий и болтов, усилия предварительного натяжения болтов - Р, данные эксперимента - усилия сдвига К31Хп. и определенные в соответствии с этими данными значения £

Испытания группы образцов с контактными поверхностями, обработанными в заводских условиях дробеметным способом, имели результаты, не обеспечивающие требования проката по фрикционно-прочностным свойствам.

Подобный способ обработки сопрягаемых поверхностей не мог быть рекомендован для практического применения.

Ненамного эффективней обработка накладок термоабразивной дробеструйной обработкой без последующей металлизации (№ 2 таблицы).

Таблица 6.

Результаты испытаний образцов с высокопрочными болтами

№ Способ обработки а8 Р N 1 ^эксп.

п/п основного элемента накладок (мм) (мм) (кгс) (кгс)

Трехболтовые соединения

1 Н3 Н3 30 27 35 340 68 000 0,35:

2 Н3 ТАС 30 27 35 340 74 900 0,35;

3 ТАСМ ТАСМ 30 27 35 340 127 170 0,59$

4 Нз ТАСМ 30 27 35 340 99 522 0,47-

Девятиболтовые соединения

5 Н3 Нз 30 27 35 340 200 500 0,31<

6 Н3 ТАСМ 30 27 35 340 321 680 0,50^

7 н3 ТАСМ 33 27 35 340 354 330 0,54:

Образцы с термообразивной дробеструйной обработкой основных элементов и накладок с последующей металлизацией имеют самые высокие показатели. Подобная технологическая операция может быть рекомендована к реализации в соединениях конструктивных элементов уникальных конструкций. Однако подобная обработка излишне трудоемка, экономически неэффективна и практически не может быть реализована в конкретных условиях стройки.

Особый интерес представляют результаты испытаний, при которых основные элементы образцов были обработаны на заводе дробеметным способом и перед сборкой образцов проходили процессы очистки металлической щеткой с последующим обезжириванием, а контактная поверхность накладок была обработана способом ТАСМ. Важность этих результатов определяется возможностями монтажных организаций применения этой комбинации обработки при сборке конструкций.

Для образцов этого типа с диаметром отверстий под болты 30 мм значение коэффициента р. > 0,50.

Подобные образцы с диаметром отверстий 33 мм имеют болев высокие показатели, Значения коэффициента трения оказались здесь равными 0,54 (№ 7 таблицы).

Более высокие показатели образцов с отверстиями под болты 33 мм, по сравнению с образцами с диаметром отверстий под болты 30 мм, по нашему мнению, может быть объяснены следующим. В первых образцах площадь контактных поверхностей под шайбами несколько меньше, чем во вторых, при одинаковом натяжении болтов. Отсюда более плотный контакт сопрягаемых элементов в зоне расположения болтов, хотя и по ограниченной площади, но при примененном способе подготовки контактных поверхностей дает увеличение значения сдвигающей силы в общем, что приводит к увеличению значения коэффициента трения.

Наблюдение в процессе испытаний характера сдвига накладок относительно основных элементов позволило выявить следующие особенности работы образцов.

Начало сдвига всех образцов, не имевших металлизации алюминием хотя бы одной контактной поверхности, происходило скачками. В образцах с металлизацией подобного явления не отмечалось. Сдвиг происходил достаточно плавно.

Доведение многоболтовых образцов до разрушения выявило, что разрушающая нагрузка в 1,37 - 1,66 раза превосходит усилие сдвига, что позволяет иметь определенный запас надежности соединений.

Осмотр образцов после разрушения показал, что отверстия под болтами сильно деформировались и приобрели эллипсоид-ность. Среза и смятия болтов обнаружено не было. На поверхности основных элементов, соприкасавшихся с металлизированными накладками (ТАСМ), появилось некоторое количество алюминия в виде пленки.

Принятый метод обработки поверхностей был применен при изготовлении конструкций покрытия БСА в Лужниках. Практика строительства подтвердила правильность принятого решения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Показано, что для изготовления и монтажа в сжатые сроки крупных уникальных стальных конструкций (например, конструкции стационарного покрытия Большой спортивной арены в Лужниках) необходимо было применить фрикционные соединения, прокат высокой прочности с пределом текучести ат > 390 Н/мм2, а такие высокопрочные метизы, отвечающие специальным, разработанным нами требованиям, в ряде случаев выходящим за рамки имеющейся практики строительства и соответствующих строительных норм и стандартов.

С целью достоверной оценки свойств проката и метизов реализована многоступенчатая система контроля, в целом включающая в себя проведение контроля на заводах-изготовителях, на стройке, а также проведение контрольных исследований металла в специально аккредитованных лабораториях.

2. Разработаны требования к прокату для уникальных сооружений, учитывающие необходимость обеспечения эксплуатационной надежности конструкций в течение десятков лет на открытом воздухе при стечении десятков тысяч человек, а также качественное изготовление конструкций в сжатые сроки. Для этого обеспечивается: 1) строгая регламентация верхнего уровня временного сопротивления (а„), 2) высокое сопротивление хрупким разрушениям (в первую очередь, гарантии по ударной вязкости на образцах с острыми надрезами (КСУ40), 3) гарантии по свариваемости (ограничение содержания элементов, гарантии г-свойств, ограничение содержания вредных примесей и газов), 4) улучшенная геометрия листов.

В целом, предъявленные требования более жестки, чем даже в случае наиболее ответственных конструкций СНиП 11-23-81*.

3. Проведенными исследованиями установлено, что прокат обладает высокими механическими свойствами: ат £ 390 Н/мм2, а„ < 680 Н/мм2, 53 > 19 %, у > 50 %, КС1Г70 и КСУ 40 > 29 Дж/см2, ^>15%. Прокат имеет хорошую свариваемость, в частности, углеродный эквивалент Сэ £ 0,46 % (по формуле ГОСТ 27772-88), в сварных соединениях невысокая твердость (НВшах < 320 НВ) и высокая ударная вязкость; сталь содержит пониженное содержание вредных примесей (Р и Б < 0,015 %), азота (ТЧ £ 0,008 %), водорода (Н2<3 см2 на 100 г) и высокую степень сплошности. В целом, примененный в конст-

рукциях покрытия БС А прокат можно рассматривать как сталь высокой прочности нового поколения.

4- При проведении статистической обработки испытаний показано, что назначение расчетного сопротивления проката Яу = 3 850 кг/см2 в соответствии со СНиП 11-23-81* вполне обоснованно. Более того, фактически, коэффициент безопасности по материалу уа в рассматриваемом прокате выше, чем предусмотрено СНиП 11-23-81* (1,090 и 1,025, соответственно). Это было достигнуто прежде всего за счет существенного ограничения верхних значений временного сопротивления.

5. Показано, что впервые примененные в строительстве в массовых количествах высокопрочные болты с ст„ £ 110 кгс/мм2 большого диаметра М27 обладают достаточно высоким сопротивлением разрушению в вязком состоянии, при этом болты имели прочность ов = 110-155 кгс/мм2.

При проведении натурных испытаний установлено, что примененные в конструкциях болты практически не склонны к задержанному (замедленному) хрупкому разрушению (ЗХР).

6. Показано, что основными требованиями, направленными на исключение ЗХР высокопрочных болтов, являются ограничения твердости поверхности болтов (<36 НВ), прочности болтов в целом (а, <135 кгс/мм2), а также недопущение в соединения болтов с поверхностными трещиноподобными дефектами,

7. При проведении натурных испытаний многоболтовых соединений установлено, что получение высокого коэффициента трения (£ > 0,5) соприкасающихся поверхностей во фрикционном соединении обеспечивается заводской дробеметной обработкой основных поверхностей с зачисткой металлическими щетками и последующим обезжириванием непосредственно на строительной площадке. При этом накладки обрабатываются термодиффузионной дробеметной обработкой с последующей металлизацией алюминием, что, кроме всего, обеспечивает высокую коррозионную стойкость.

8, Материалы исследования использованы при изготовлении блоков конструкций на ЗМК и при возведении покрытия Большой спортивной арены в Лужниках.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Одесский П.Д., Кулик Д.В. Сравнительная оценка отечественных и зарубежных норм сопротивления хрупким разрушениям проката для металлических конструкций. //Монтажные и специальные работы в строительстве. 1997. № 2. С, 4-9.

2. Одесский П.Д., Кулик Д.В. Прокат высокой прочности для стальных конструкций уникальных зданий и сооружений. //Монтажные и специальные работы в строительстве. 1997. № 11. С, 7-12.

3. Одесский П.Д., Кулик Д.В., Отставнов В.А. Механические и технологические свойства проката высокой прочности для строительных стальных конструкций. //Монтажные и специальные работы в строительстве. 1998. № 2. С. 13-18.

4. Одесский П.Д., Веденов И.И., Кулик Д.В. Проблема предотвращения хладноломкости сталей для металлических конструкций при различных по характеру нагрузках и воздействиях. //Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов. Тезисы докладов. Ижевск-Екатеринбург, 1998. С. 24-25.

5. Горпинченко В.М., Кулик Д.В,, Одесский П.Д, Высокопрочные метизы М27 для фрикционных монтажных соединений уникальных металлических конструкций. //Монтажные и специальные работы в строительстве. 1998. № 4. С. 3-8.

6. Одесский П.Д, Кулик Д.В. Современные стали с повышенным и высоким сопротивлением хрупким разрушениям для металлических конструкций. //Тезисы докладов Международной академии холода. Санкт-Петербург, 1998.